Trzypunktowy układ zawieszenia narzędzi, zwany skrótowo TUZ-em, to nieodzowny element każdego współczesnego ciągnika. Jego konstrukcja ewoluowała od momentu wynalezienia prawie 100 lat temu. Jest to kluczowy element dla funkcjonalności i bezpieczeństwa pracy w rolnictwie, umożliwiający efektywne agregowanie maszyn z ciągnikiem.
Historia i Rozwój TUZ-a
Pierwsze pojazdy rolnicze o napędzie parowym (tzw. lokomobile) cechowały się ograniczoną funkcjonalnością przy pracach polowych, najczęściej wykorzystywano je do najbardziej energochłonnego zabiegu, jakim była orka. Późniejszy rozwój konstrukcji pojazdów rolniczych sprawił, że można je było agregować z maszynami o różnym przeznaczeniu. Szybko dostrzeżono wówczas zalety maszyn zawieszanych w porównaniu z maszynami przyczepianymi - te pierwsze charakteryzowały się niższym ciężarem i zapewniały agregatowi większą zwrotność. Funkcjonalność takiego rozwiązania wymagała jednak zastosowania systemu, który pozwalałby na szybką i płynną zmianę wysokości położenia maszyny.
Prace nad stworzeniem takiego układu podjął w latach 20. XX wieku Harry Ferguson. W 1925 roku uzyskał on patent na hydraulicznie sterowany trzypunktowy układ zawieszenia narzędzi. Układ ten miał już to, co dziś nazwalibyśmy regulacją siłową, która umożliwiała zmianę zagłębienia pługa w zależności od jego oporu.
Budowa i Funkcjonowanie TUZ-a
Trzypunktowy układ zawieszenia składa się z dwóch głównych części: mechanicznej i hydraulicznej.
Część Mechaniczna
Część mechaniczna TUZ-a to układ dźwigniowy, który z jednej strony jest połączony z ciągnikiem, a z drugiej strony - z narzędziem. Układ ten wyposażony jest w dwa cięgła dolne oraz tzw. łącznik górny. Podnoszenie cięgieł dolnych możliwe jest dzięki działaniu siłownika hydraulicznego. Tłoczysko tego siłownika połączone jest z ramionami, a te za pośrednictwem wieszaków podnoszą cięgła dolne. Łącznik górny natomiast, oprócz tego, że służy jako element mocujący, daje możliwość poziomowania maszyny względem ciągnika. W starszych modelach na końcach cięgieł dolnych i łącznika górnego były przeguby kuliste, w które ręcznie wkładało się sworzeń i zabezpieczało go przed samoistnym rozłączeniem. Nowoczesne TUZ-y wyposażone są w końcówki hakowe (z samozatrzaskowymi zabezpieczeniami zapadkowymi), które łączą się ze specjalnymi przegubami kulowymi osadzanymi na sworzniach maszyny. Dzięki temu proces sprzęgania staje się szybszy, łatwiejszy i bezpieczniejszy.
Część Hydrauliczna
Część hydrauliczna TUZ-a (nazywana często układem hydrauliki wewnętrznej) w najbardziej elementarnej wersji składa się z siłownika (odpowiedzialnego za podnoszenie), pompy (źródło ciśnienia w układzie) oraz rozdzielacza (służącego do sterowania przepływem oleju). W większości układów hydraulicznych powinien być ponadto zamontowany zawór bezpieczeństwa, który otworzy się przy zbyt dużym ciśnieniu (np. na skutek przekroczenia udźwigu). Należy wspomnieć, że pompa hydrauliczna w trakcie pracy pobiera pewną część mocy silnika. Nawet bez obciążenia układu w pompie występuje tarcie, które może spowodować szybsze zużywanie się elementów pompy. Jest to o tyle istotny problem, że nie we wszystkich ciągnikach istnieje możliwość całkowitego wyłączenia napędu pompy, np. gdy nie korzystamy z układu hydraulicznego. O ile w ciągnikach starszego typu umożliwienie włączenia i wyłączenia pompy wymagało ingerencji w elementy mechaniczne, to obecnie tę funkcję realizuje się np. elektronicznie.
Typy Regulacji i Stabilizacja
Rodzaje Regulacji Głębokości Pracy
Jedną z funkcji TUZ-u jest umożliwienie uzyskania różnych rodzajów regulacji głębokości pracy maszyny. W pierwotnej wersji (mechanicznej) występowały trzy podstawowe typy regulacji - pozycyjna, siłowa i mieszana. Przy regulacji siłowej i mieszanej impulsem do wywoływania zmiany położenia maszyny do pomiaru siły i przekazywania impulsu sterującego hydrauliką stosowane były elementy mechaniczne, np. sprężyny, dźwignie. Oprócz tego w układzie musiały być zamontowane elementy służące do określania chwilowego położenia ramion TUZ-u. W nowszych rozwiązaniach TUZ-ów pomiar siły jest realizowany przy użyciu czujników współpracujących z układem elektronicznym. W tym wypadku możemy mówić o tzw. elektronicznej regulacji. Najbardziej znanym z tych układów jest system EHR (z ang. Electronic-hydraulic Hitch Control) opracowany i wdrożony przez firmę Bosch w końcu lat 70. XX wieku. Układ ten w porównaniu ze starszymi rozwiązaniami charakteryzuje szereg zalet; oprócz regulacji podstawowych (siłowa, pozycyjna, mieszana) pozwala na zmiany głębokości pracy maszyny w zależności od innych parametrów, np. może współpracować w układem pomiaru prędkości rzeczywistej i teoretycznej, określając w ten sposób poślizg kół. Ponadto, do innych udogodnień związanych z użytkowaniem EHR-u zaliczyć można płynną zmianę prędkości podnoszenia/opuszczania maszyny, szybkie opuszczanie maszyny bądź możliwość zaprogramowania określonej wysokości podnoszenia. Obsługa układów wyposażonych w EHR jest mniej uciążliwa niż to miało miejsce w wypadku starszych rozwiązań - dźwignie sterujące pracą rozdzielacza zostały zastąpione przez panel z przyciskami. Ponadto, sterowanie pracą podnośnika może odbywać się spoza kabiny ciągnika. W wielu rozwiązaniach konstrukcyjnych dodatkowy panel z przyciskami sterującymi jest umieszczany na zewnątrz, np. na błotniku.
Stabilizacja Cięgieł Dolnych
Kolejną cechą konstrukcyjną różniącą układy zawieszenia jest sposób stabilizacji cięgieł dolnych. Jednym z głównych wymogów stawianych TUZ-om jest zapewnienie właściwej stabilizacji w kierunku poprzecznym. Chodzi tu o zabezpieczenie maszyny przed nadmiernymi wychyleniami, np. w położeniu transportowym. W starszych rozwiązaniach rolę stabilizatorów pełniły łańcuchy połączone z jednej strony z obudową mostu napędowego, a z drugiej - z cięgłami dolnymi. Między odcinkami łańcuchów zamontowane były elementy służące do skracania bądź wydłużania łańcucha (tym samym pozwalając na zmianę dopuszczalnego kąta wychylenia cięgieł dolnych na boki).
Przedni TUZ i Dociążanie Ciągnika
W latach 80. XX wieku w ciągnikach zaczęły upowszechniać się trzypunktowe układy zawieszenia montowane z przodu ciągnika. W oczywisty sposób zwiększało to funkcjonalność ciągnika. W niektórych wypadkach można było wykonywać dwie czynności podczas jednego przejazdu roboczego. Należy pamiętać, że zawieszenie maszyny w przedniej części ciągnika zwiększy jego stabilność podłużną, zmniejszając tym samym ryzyko odrywania się przedniej osi. Z tego powodu przedni TUZ służy niekiedy do montowania dodatkowego balastu.
Sprzęgnięcie kilkutonowej maszyny rolniczej z traktorem powoduje, że przednie koła tracą przyczepność do podłoża. Zmniejsza to siłę uciągu, ale przede wszystkim sprawia, że ciągnik inaczej hamuje i źle się prowadzi. Z tego powodu należy dociążyć przód, zakładając dodatkowy balast lub maszynę montowaną z przodu. Przyjmuje się, że aby bezpiecznie poruszać się po drodze minimalne obciążenie przedniej osi powinno wynosić 20% całkowitej masy agregatu. Jednak optymalne obciążenie to ok. 40%. Maksymalna waga jest zależna od maksymalnej nośności opon. Aby dokładnie wyliczyć minimalne obciążenie, trzeba dokonać obliczeń w oparciu o masę ciągnika i sprzęganej maszyny, ale również odległość jej zawieszenia od środka ciężkości i inne pomiary. Jednym z najlepszych sposobów dociążenia przedniej osi jest przedni TUZ. W przeciwieństwie do fabrycznych balastów daje możliwość szybkiego montażu i demontażu obciążenia oraz dostosowanie jego masy do zawieszonej maszyny z tyłu.
#218 Montaż tuza - "Drugie życie dla 6810" Perqins
Normalizacja Wymiarów TUZ-a
Początkowy rozwój trzypunktowych układów zawieszenia spowodował pewne niedogodności związane z tym, że niektóre firmy produkowały maszyny przystosowane do łączenia jedynie z niektórymi rodzajami ówczesnych TUZ-ów. Obecnie rozmiary elementów trzypunktowego układu zawieszenia są znormalizowane. Wymiary i wymagania dotyczące zawieszania narzędzi i osprzętu z tyłu traktora opisuje norma PN-ISO 730, która w dużej mierze pokrywa się z międzynarodową normą ISO 789-1. Norma określa wymiary poszczególnych elementów układu, m.in. średnice otworów mocujących, rozstaw końcówek cięgieł i wymiary przegubów kulistych. Zasadą jest, że im wyższa kategoria TUZ-a, tym większe wymiary elementów.
Nie tylko tylny TUZ został znormalizowany. Wszystkie elementy służące do sprzęgania maszyn z ciągnikiem mają swoje parametry i normy. Np. przedni TUZ opisuje norma DIN ISO 8759-2.
Kategorie TUZ-a według normy ISO 789-1
Norma ISO 789-1 definiuje kilka kategorii TUZ-a, które różnią się wymiarami i dopuszczalnym obciążeniem. Poniżej przedstawiono ogólne zasady dotyczące kategorii 1:
- Kategoria 1: Przeznaczona dla ciągników o mniejszej mocy, charakteryzuje się mniejszymi wymiarami elementów mocujących i niższym dopuszczalnym obciążeniem. Jest często spotykana w starszych modelach ciągników oraz w traktorach przeznaczonych do lżejszych prac.
Zasadą jest, że im wyższa kategoria, tym większe wymiary elementów TUZ-a.
Inne Systemy Zaczepowe
Niezależnie od TUZ-a, istnieją także inne systemy zaczepowe do agregowania maszyn z ciągnikiem, szczególnie w przypadku maszyn półzawieszanych lub przyczepianych.
- Zaczep z dyszlem oczkowym: Maszynę z dyszlem oczkowym o średnicy 40 mm sprzęgamy z ciągnikiem za pomocą sworznia o średnicy 32 mm. To najprostszy i najtańszy system zaczepowy, niestety również najmniej wygodny, charakteryzujący się dużymi luzami.
- Zaczepy automatyczne: Mają dużo mniej luzów dzięki zastosowaniu sworznia o średnicy 38 mm. Nie wymagają działania operatora, ponieważ sworzeń jest zwalniany, gdy dyszel uderzy w zatrzask. W tym przypadku ucho dyszla o średnicy 50 mm zakłada się na sworzeń o średnicy 48 mm.
- Kulowy zaczep i końcówka dyszla: Sworzeń zakończony jest kulą, na którą mocuje się ucho dyszla o odpowiednim kształcie. Całość blokuje zacisk od góry. Takie połączenie nie ma żadnych luzów (przez co charakteryzuje je większa wytrzymałość), a jednocześnie pozwala na wychył nawet do 30°. Ucho dyszla może być flanszowe przykręcane na śruby, wspawywane albo przykręcane na jedną nakrętkę z tyłu.
Zaczepy mogą być bezpośrednio przykręcone do ciągnika lub do specjalnego adaptera mocowanego na bloku skrzyni biegów, zwanego szyną, korpusem bądź sankami. Dzięki temu możemy sami zdecydować, jaki zaczep zastosujemy i na jakiej wysokości. Co więcej, obecnie szyny są wyposażone w płyty przesuwne i adaptacyjne, do których przykręca się samą końcówkę zaczepu.